Применение статических смесителей

Применение статических смесителей в промышленности может быть классифицировано на основе различных типов, определенных во вступлении: смешивание однородных жидкостей, смешивание многокомпонентных смесей, теплообмен и осевое смешивание.

1.Смешивание однородных жидкостей

Это наиболее распространенное применение статических смесителей в промышленности. Они используются для смешивания двух или более однородных жидкостей или реакционных смесей для устранения градиентов концентрации, возникающих при реакции в пустой трубе. Когда требуется радиальное и тангенциальное смешивание, а также среда с реакционным потоком, статические смесители являются полезными. Они заменяют или дополняют традиционные реакторы и механические инлайновые смесители (Reeder, 1998). Они были оптимизированы для ламинарного потока и могут заменить одиночные и двойные шнековые экструдеры в некоторых приложениях полимеров. Однако они все еще имеют некоторые ограничения при смешивании жидкостей с существенно различной вязкостью. В турбулентном потоке статические смесители обычно используются для интенсификации процессов. Это означает, что они позволяют использовать меньшие операционные вложения. Три важных применения - смешивание газов в турбулентном или ламинарном потоке, смешивание водных растворов в турбулентном потоке (особенно в области водоочистки) и смешивание полимерных плавок или растворов в ламинарном потоке. Они также используются в качестве реакторов, особенно полимеризационных реакторов.

1.1Однородность в ламинарном потоке

Пластификаторы, внутренние смазки, стабилизаторы, красители, наполнители и огнезащитные добавки обычно добавляются в плавленую полимерную массу. Типичное сочетание шестеренчатого насоса и статического смесителя заменяет экструдер в конце линии полимеризации. Юрковски и Ольхов (1997) исследовали, как использование статического смесителя улучшает совместимость практически несмешивающихся полимеров (например, полиамид-6 и полиэтилен низкой плотности). Этот процесс тесно связан с термической гомогенизацией, поскольку одно и то же оборудование одновременно регулирует концентрацию и температуру. Статические смесители также используются для обработки клея (Шнайдер и др., 1988), а обычное домашнее применение - использование одноразового статического смесителя для смешивания двух частей эпоксидной смолы.

Применение статических смесителей в пищевой промышленности весьма распространено, однако их частота упоминания в литературе невелика. Пищевые продукты обычно обладают высокой вязкостью и не-Ньютоновскими свойствами (Холдсворт, 1993) и обычно обрабатываются в ламинарном потоке. Cybulski и Werner (1986) описывают использование статического смесителя для смешивания кислот, соков, масел, напитков, молочных напитков или соусов в пищевых рецептурах. Baker (1991) описывает метод использования статического смесителя для расплавления шоколада.

1.2Смешивание газов

Статические смесители являются хорошим инструментом для предварительного смешивания газов и предварительной парообразованной жидкой топливной смеси перед реакцией. Фактически, это было впервые зарегистрировано использование статического смесителя (Sutherland, 1874). Несмотря на высокую скорость диффузии газов, смесь не достигает мгновенной однородности, и может потребоваться дополнительное смешивание для обеспечения хорошего горения. Дополнительное время пребывания после совместного дозирования газов может быть использовано для достижения необходимого смешивания, однако это также может увеличить задержку в процессе и, возможно, вызвать проблемы безопасности при охлаждении. Поэтому требуется дополнительное активное смешивание. Статические смесители обычно используются для предварительного смешивания подачи в реакторе для увеличения выхода реакции. Baker (1991) обсуждает их применение в производстве азотной кислоты. Размещенный перед реактором статический смеситель смешивает воздух с аммиаком, увеличивая выход азотной кислоты на почти 1%, и устраняя возможные тепловые точки, которые могут повредить дорогостоящий платиновый катализатор. Бейкер отмечает, что изменение концентрации аммиака на входе реактора снизилось в 30 раз, срок службы катализатора увеличился на 20%, что привело к снижению частоты замены катализатора и производственных затрат. Использование статических смесителей может улучшить множество химических реакций, включая процессы производства хлорэтилена, дихлорэтилена, стирола, ксилола и малеинового ангидрида (Baker, 1991). Отмечено, что статические смесители имеют огромный потенциал для сокращения выбросов отработавших газов из горелок (Braun и др., 1998). В ядерной промышленности было обнаружено несколько нетрадиционных применений статических смесителей, в том числе для улучшения отбора и анализа загрязнений из потока газа (McFarland и др., 1999).

1.3Очистка воды и обработка осадков

Мутность в питьевой воде вызывается низкой концентрацией взвешенных твердых частиц. Статические смесители используются в качестве первого этапа очистки для диспергирования коагулянтов, таких как алюминиевые соли. Поток воды находится в турбулентном состоянии, но излишнее сдвиговое воздействие от механического перемешивания может повредить коагулянты, что приводит к увеличению их расхода. Baker (1991) сообщает о применении статических смесителей на фабриках в США и Канаде в этом приложении. Также сообщается о последних применениях ультрафильтрации (Derradji и др., 2000), сверхкоагуляции и турбулентной биофильтрации (Rulyov, 1999) в водоочистке. Одной из важных операций в обработке воды является дезинфекция, требующая смешивания и образования интерфейса, при этом дезинфицирующее средство (обычно хлор или озон) вводится в качестве газа. Хотя растворение хлора - это простая задача, для эффективного использования озона требуется предварительное растворение в воде до его смешивания с основным потоком (Baker, 1991; Clancy и др., 1996). В этом случае статические смесители также могут быть полезны. Еще одно применение статических смесителей в обработке воды - денитрификация. Процесс удаления азота из сточных вод может потребоваться перед их сбросом, чтобы избежать образования канцерогенных тригалогенметановых соединений (Baker, 1991).

Процесс обезвоживания осадков начинается с добавления полимеров алюминия или хлорида железа в качестве средств укрупнения. Как и в процессе очистки воды, необходимо минимизировать сдвиговое воздействие, чтобы избежать разрушения конгломератов твердых частиц. Статические смесители способны снизить потребность в добавках (Baker, 1991). Procelli и др. (1993) отмечают, что с использованием статических смесителей расход хлорида железа снизился на 10%, а содержание твердых веществ незначительно возросло. Они оценивают, что водочистные сооружения, обслуживавшие город Анн-Арбор в штате Мичиган, сэкономили около 35 000 долларов с декабря 1989 года по ноябрь 1990 года. Этот процесс требует хорошего контроля рН, поскольку коагулянты действуют только в ограниченном диапазоне рН. Статические смесители способны создавать равномерный поток за короткое время пребывания. Поэтому они являются полезным инструментом для адаптивного управления химическими добавками в очистных сооружениях (Lee и Choi, 2000; Galey и др., 2000), хотя их применимость к улучшению контроля не ограничивается только обработкой воды.

1.4Процессы с реакциями в смеси

Долгое время статические смесители рекомендовались для применения в полимеризационных реакциях (Grace, 1971), но их применение на промышленном уровне кажется относительно небольшим. Компания Sulzer разработала технологию полимеризации стирола, которая широко использует статические смесители, особенно типа SMR, и построила коммерческий завод в Японии. Tein и др. (1985) сообщают о некоторых деталях этого процесса. Статические смесители также используются в предварительных нагревателях для испарительного охлаждения во вторичных реакторах и других процессах полимеризации стирола (где происходят реакции). Yoon и Choi (1996) описывают академические исследования по полимеризации стирола в статическом смесительном реакторе. Fleury и др. (1992) исследовали полимеризацию метилакрилата, а Schott и др. (1975), Khac Tien и др. (1990), Baker (1991) и Myers и др. (1997) описывают применение статических смесителей для приготовления полистирола, нейлона, полиуретана и сульфохлорированных соединений. Myers и др. (1997) обсуждают статическое и динамическое смешивание в процессе переработки полистирола.

Наиболее рекомендуемое применение статических смесителей - это высокоэндотермические полимеризационные реакции. Однако большинство промышленных установок используются для реакций полиуретановых пен в процессе литья с реакцией в форме (RIM). Коммерческие машины RIM используют ударные смесители, а затем быстрое смешивание реактивных компонентов с помощью статических смесителей (Kolodziej и др., 1982). Смешиваемость характеризуется распределением толщины полосы. Академическое исследование Hoefsloot и др. (2001) обработало деградацию полипропилена в статическом смесительном реакторе.

Другие виды химических реакций также могут использовать преимущества статических смесителей. Можно использовать статические смесители для улучшения синтеза этилглюкозидного гликозида этиленгликоля (Subramanian и Hann, 1996). Были описаны применения для обработки лактозы в обработке сыворотки (Fauquex и др., 1984; Metzdorf и др., 1985). Lammers и Beenackers (1994) исследовали производство статических смесительных реакторов этилцеллюлозы, используемой в пищевой, целлюлозной и бумажной промышленности. Grafelman и Meagher (1995) описали использование одношнековой экструдерной машины и статического смесительного реактора для ликвидации крахмала. Junker и др. (1994) описывают культивацию дезактивированных антигенов вируса гепатита А в статическом смесительном реакторе из титанового сплава. Предложены применения статических смесителей для крекинга тяжелых нефтепродуктов и сырой нефти (Jurkias, 1998) или управления гидролизом казеина ферментом панкреатического сока с использованием статических смесителей (Margot и др., 1998).

Статические смесители не ограничиваются системами непрерывного потока. На рисунке 12 показано, как они используются в системах непрерывного, шагового и интервального применения. Полуинтервальный процесс алкилирования фенола напоминает рисунок 12(с), но без мешалки в реакторе, используется специальный распылитель (статический смеситель), чтобы добавлять свежий алкен в циркулирующий поток (Nauman, 2002, стр. 389). Это пример системы, которая смешивается при равновесии, но двухфазовая при вводе.

2.Неоднородные системы

Эти применения включают дисперсию одной фазы в другой или процессы, направленные на увеличение коэффициента межфазной передачи. Применения включают жидкость-жидкость, газ-жидкость и твердое-жидкость системы.

2.1.Системы жидкость-жидкость

Статические смесители идеально подходят для процесса поперечного выделения. В этом применении они конкурируют с механическими системами смешивания (например, вращающиеся колонны или последовательные смешивающие резервуары). Одним из основных преимуществ является их устойчивость к затоплению, даже когда фазы имеют сходную плотность. Целью является формирование достаточно мелких капель для обеспечения большой площади межфазного контакта, но достаточно крупных, чтобы избежать образования эмульсии, и статические смесители отлично справляются с этой задачей. Baker (1991) сообщает о промышленных применениях аминной, щелочной и органической моющих сред, а также использовании диэтаноламина для извлечения сероводорода из нефтяных фракций. Недавно статические смесители использовались в сочетании с суперкритическим углекислым газом для поперечного извлечения, например, для дистилляции липидов с целью извлечения сквалена из триглицеридов и диацилглицеролов (Catchpole и др., 2000). Предложено использование статических смесителей для поперечного извлечения кофеина из суперкритического CO2 с водой вместо противоточных заполняемых колонн (Pietsch и Egers, 2000). Статические смесители также использовались для улучшения жидкость-жидкость реакций, примеры в основном проприетарные, но см. вклад в производство амидарона (широко используемого против аритмии лекарства) от Chamayou и др. (1996).

Статические смесители также могут использоваться в традиционном режиме противоточной экстракции жидкость-жидкость. Jancic и др. (1983) и Streiff и Jancic (1984) исследовали их применение в нескольких тестовых системах: керосин-вода, бутанол-янтарная кислота-вода, толуол-ацетон-вода и тетрахлорметан-уксусная кислота-вода. Их вывод заключался в том, что вставка статического смесителя может снизить коагуляцию и иметь более низкое время остановки по сравнению с традиционными устройствами, даже при высоких скоростях жидкости. Merchuk и др. (1980) сообщили о дополнительных применениях статических смесителей в системах жидкость-жидкость для экстракции меди, а Le Coze и др. (1995) — для экстракции индия.

Конфигурация реактора с использованием статического смесителя

Статический миксер имеет потенциальную прикладную ценность в непрерывном процессе эмульсии. Эмульсия является ключевым компонентом во многих продуктах питания (Cybulski и Werner, 1986), косметике и медицинских препаратах. Статический миксер может одновременно производить первичную эмульсию и однородить концентрацию эмульгатора. Типичным применением является микрокапсулирование (Powell и Mahlingam, 1992; Maa и Hsu, 1997), но информация в этой области ограничена. Известно, что статический миксер обладает сложным поведением в жидкостных системах (Merchuk и др., 1980). Иногда сложно предсказать, будет ли получена эмульсия с маслом в воде или с водой в масле. В таком применении статический миксер может проявлять несколько стационарных состояний, и оба типа дисперсии могут существовать в противоположных направлениях. Известно также, что статический миксер может способствовать инверсии фазы; Tidhar и др. (1986) и Akay (1998) сообщили о структурных изменениях в процессе эмульсии в системах вода-угольное масло и вода-тетрахлорметан.

Последнее применение статического миксера в жидкостных системах - это нанесение покрытий на очень мелкие частицы. В одном процессе, сверхкритический диоксид углерода используется в качестве носителя порошкового покрытия. Для производства покрытых частиц методом высокого давления требуется высокая степень перемешивания (Wagner и Eggers, 1996; Weidner, 1999; Weitner и др., 2001). В процессе Unicarb используется статический миксер для смешивания сверхкритической жидкости с полимером или раствором краски (Lee и др., 1990).

По меньшей мере, два коммерческих процесса используют статический миксер для диспергирования жидкой воды (при постоянном давлении) в плавленом полистироле, чтобы помочь быстрому отведению.

2.2 Газо-жидкостные системы

Статические смесители могут успешно применяться в процессах абсорбции и очистки. Они особенно подходят для совместной абсорбции высокорастворимых газов, таких как диоксид углерода, аммиак и хлор, где требуется всего несколько этапов передачи. Часто используются встроенные статические смесители с потоком пузырьков или распыления. Они также применяются в системах, где после абсорбции происходят химические реакции, особенно когда абсорбируемый газ быстро реагирует. Их капитальные затраты ниже, чем у контртоковых башен, особенно в случае высоких давлений. Статические смесители также могут улучшить многоступенчатые контртоковые башни, повышая их эффективность и производительность. Rader и др. (1989) сообщали о множестве применений статических смесителей в газо-жидкостных системах, включая совместные и контртоковые устройства. В настоящее время в дистилляции и других операциях башенное оборудование заменяется структурированными наполнителями вместо пластинчатых колонн или случайных наполнителей, которые являются разновидностью статических смесителей, предназначенных для обеспечения большой поверхности передачи массы.

Статические смесители широко используются на заводах по обработке природного газа. Они применяются для:

(i) удаления сероводорода из природного газа с использованием раствора гидроксида натрия, амина или специального растворителя;

(ii) удаления диоксида углерода с использованием амина или специального растворителя;

(iii) селективного удаления сероводорода при наличии диоксида углерода;

(iv) обезвоживания газа с использованием этанола.

Некоторые применения статических смесителей в химической и нефтехимической промышленности включают в себя:

(i) очистку выходного продукта реактора окисления хлора раствором гидроксида натрия в производстве дихлорэтана;

(ii) очистку аммиака, хлороводорода, фтористоводорода или цианида водой;

(iii) очистку хлора и кислотных газов раствором хлорида натрия или растворителем;

(iv) очистку вредных органических соединений растворителем;

(v) предварительное погашение абсорбента акрилонитрила.

Отмечается, что статические смесители эффективнее других контактных устройств (таких как форсунковые аппараты, Венвильковые скрубберы и случайные наполнители).

Статический смеситель используется как устройство с параллельным потоком для обеззараживания воды (Baker, 1991; Zhu, 1991; Martin и Galey, 1994; Clancy и др., 1996; De Traversay и др., 2001). La Pauloue и Langlais (1999) провели оценку обработки воды озоном. Demmink и др. (1994) описали окисление сероводорода раствором хелатного комплекса нитроцетат железа в столбе с параллельным потоком, оснащенным статическим смесителем. Еще одним примером системы газ-жидкость является непрерывное гидрирование растительного масла (Rusnac и др., 1992).

Широко известно, что статический смеситель способствует увеличению массопереноса в бурлящем слое. Он может использоваться в подъемных трубах газоподъемного реактора (Chisti и др., 1990; Goto и Gaspillo, 1992; Gavrilescu и Роман, 1995, 1996; Gavlilescu и др., 1997), в послеточной трубе бурлящего слоя (Goto и Gаспило, 1992), в послеточной трубе пенообразного реактора (Gaspillo и Goto, 1991), в механически перемешиваемом газоподъемном реакторе с кольцевым обтеканием (Lu и др., 2000), непосредственно в наполненном бурлящем слое (Fan и др., 1975; Wang и Fan, 1977) и в трехфазном флюидизированном слое (Potthoff и Bohnet, 1993). Промышленные применения включают культивирование Penicillium chrysogenum для производства цефалоспорина С (Gavriescu и Роман, 1995) и производство этанола в газоподъемном реакторе (Vicente и др., 1999).

Многие компании производят регулярные наполнители, используемые для дистилляции и подобных операций в колоннах, включая некоторых производителей традиционных статических смесителей. Их применение охватывает широкий диапазон, начиная от лабораторных дистилляционных колонн и заканчивая крупными колоннами для разделения стирола и этилбензола с производительностью более 700 000 тонн в год. Регулярные наполнители в значительной степени заменили тарелки и разрыхлители в новых проектах колонн. Большинство конструкционных данных являются конфиденциальными, но исследование Фиц и др. (1999) показало, что такие наполнители способны увеличивать емкость и эффективность работы. Они обеспечивают хорошую работу колонны даже при очень низкой скорости жидкости, то есть они уменьшают высыхание, что приводит к эффективному снижению уровня увлажнения. Тестовые системы включают пары ксилол/метаксилол, циклогексан/н-гексан и изобутан/н-бутан при давлениях от 0,02 до 27,6 бар. Тем не менее, обнаружено, что эффективность дистилляции ухудшается при давлении более 10 бар.

2.3Системы твердое вещество - жидкость

Одним из применений статического смесителя в системах твердое вещество - жидкость является диспергирование твердых частиц в жидкости, иногда включая разрушение агрегатов, связанных взаимодействием ван-дер-Ваальса. Он также может применяться в химической промышленности, например, для диспергирования катализатора в жидкой фазе, а также в процессах целлюлозно-бумажной промышленности (Isom, 1984). Jean и др. (1987) исследовали непрерывное производство частиц оксида титана с узким размером с использованием статического смесителя. Barresi и др. (1997) использовали статический смеситель для влажного смешивания керамического порошка. Можно предположить, что в пищевой промышленности также существуют аналогичные применения, но публикаций в этой области очень мало.

Неравномерное контактирование между реакционным газом и твердыми катализаторными частицами хорошо известная проблема в флюидизированных кроватях. Для решения этой проблемы применялись различные устройства. Krambeck и др. (1987) и Pustelnik и Nauman (1991) описывают и анализируют использование горизонтальных щитов в большой модели холодного потока в реакторе метанол-бензин для улучшения контакта. Metzdorf и др. (1991) предложили использовать статический смеситель для снижения осевого разброса жидкой фазы в реакторе с жидко-твердой флюидизированной кроватью.

2.4 Системы твердое - твердое

Еще одно преимущество использования статического смесителя состоит в возможности смешивания твердых материалов, включая смешивание сухих пигментов и тонеров, смешивание добавок для моющих средств, смешивание смазочных материалов с порошковыми металлическими или полимерными частицами, смешивание сухих глин и цемента или сухих глин с катализаторами (Baker, 1991). Когда смеситель питается силой тяжести, он работает в вакууме, поэтому его следует классифицировать отдельно от аппаратов для смешивания твердое - газовое из предыдущего раздела. Одним из распространенных применений является смешивание мелкого порошка перед последующим изготовлением валов, но официальных публикаций в этой области очень мало.

3.Теплообмен

Применение статического смесителя для улучшения теплообмена можно разделить на три типа. Первый тип - это тепловая гомогенизация, обычно совмещаемая с компонентной гомогенизацией. Второй тип - это чистый теплообмен в теплообменниках. Третий тип сочетает теплообмен с химической реакцией.

3.1Тепловая гомогенизация

В безвихревом ламинарном потоке в пустой трубе теплопроводность является единственным механизмом радиального теплообмена. Было использовано множество стационарных вставок для стимулирования радиального потока и, таким образом, уменьшения радиального градиента температуры в рабочем теплоносителе. Одним из распространенных применений является установка статического смесителя внизу шнекового экструдера для получения теплового гомогенизированного расплава соединения. Майерс и др. (1997) предложили использовать открытые компоненты в этом применении и сообщили, что они снизили радиальную изменчивость температуры в 10 раз. Типичным применением тепловой гомогенизации является экструзия пленки или листового материала, поскольку термопластичные материалы требуют равномерной температуры для устранения позиционно-зависимых изменений в экструдированном изделии. Шотт и др. (1975) рекомендовали использование статических смесителей при обработке полиэтилена, полипропилена, полистирола и абсорбента. Применение статических смесителей в экструзии стало стандартной практикой. Их основная цель - тепловая гомогенизация, но они также уменьшают различия в составе, обусловленные смешиванием полимеров и окрашиванием. Необходимо в основном радиальное смешивание, но сложные потоковые режимы в экструдере делают экструдат несимметричным в тангенциальном направлении. Поэтому также требуется некоторое тангенциальное смешивание, большинство из которого автоматически обеспечивается статическими смесителями.

3.2Нереактивные теплообменники

По причинам, обсуждаемым в следующем разделе, для полимеризации обычно используются однотрубные теплообменники. Традиционные многотрубные теплообменники используются в случаях, когда отсутствует реакция или когда реакция, приводящая к незначительному изменению вязкости, присутствует. Статические смесительные элементы могут использоваться для улучшения коэффициента теплообмена в ламинарном или турбулентном потоке, однако поставщики оборудования для теплообмена иногда чрезмерно продвигают это применение. По сравнению с пустыми трубами, смешивающие вставки имеют несколько существенных недостатков: более высокое падение давления, большая вероятность образования отложений, относительно сложная очистка и более высокие затраты. Следует отметить, что коэффициент теплопроводности на несколько порядков выше коэффициента диффузии молекул, поэтому для большинства операций теплообмена можно использовать трубы с разумным диаметром и длиной, обеспечивающие разумное время пребывания. Использование смешивающих вставок целесообразно, когда существует сильная необходимость в уменьшении задержки в процессе. Например, когда процессные материалы особенно опасны или дороги, или когда необходимо подавить вредные реакции. Первая причина встречается довольно часто и будет обсуждаться в следующем разделе.

Смешивающие элементы наиболее полезны в глубоких ламинарных потоках (Ишикава и Камия, 1994; Джоши и др., 1995), и большинство применений относятся к этой области. Литература по их использованию в основном описывает реактивные потоки, описанные в следующем разделе. Для такого применения статические смесители имеют явное преимущество перед пустыми трубами, так как они обеспечивают более равномерное распределение времени пребывания. Если интерес ограничивается только теплопередачей, то кажется, что специально разработанные вставки для этой цели лучше подходят, чем универсальные устройства, описанные в данном обзоре. Наибольший интерес представляют ребристые и перекрестные ребристые обогреватели (Берглес, 1995). Эти устройства могут использоваться для турбулентного теплопереноса и кипения, а также для ламинарного потока.

3.3Теплообмен с реакцией

Однотрубные и многотрубные теплообменники широко используются в качестве реакторов. Статические смесительные элементы в этом применении имеют двойное преимущество, так как они одновременно улучшают теплообмен и сокращают диапазон времени пребывания. Это в основном второе преимущество подтверждает разумность их использования. Однако открытые примеры использования статических смесительных элементов в качестве промышленных реакторов довольно редки. Основными примерами являются полимеризация стирола и реактивный литьевой процесс полиуретана. Процесс полимеризации мочевины является двухкомпонентной реакцией с низким тепловыделением. Действие статического смесительного элемента заключается в тщательном перемешивании реакционных компонентов, а не в удалении тепла.

Полимеризация этилена (например, полимеризация стирола) сопровождается значительным выделением тепла и значительными изменениями в вязкости. Это приводит к двум формам нестабильности в трубчатых реакторах, а именно, классическому тепловому контролю и гидродинамической нестабильности, аналогичной проблеме "пальцевого" потока во вторичной нефтедобыче (Науман, 2002, стр. 496). Оба этих вопроса (в значительной степени) можно избежать путем проведения реакции в длинных однотрубных реакторах при низком превращении (примерно 15%). Этот метод также используется в высоко давлении для полимеризации этилена. Эти реакторы на самом деле имеют длину в километры, и кажется, что использование смесительных вставок может быть полезным, хотя пока не ясно, действительно ли это так. Многотрубные реакторы с низким изменением вязкости используются в циклических процессах. Для реакторов с непрерывным катализатором использовались статические смесительные элементы, но подробной информации о них пока нет. Sulzer процесс полимеризации стирола использует несколько последовательных реакторов, из которых первый является циклическим смесителем SMR (Тейн и др., 1985). Хотя SMR подвержен воздействию вязкостного пальца при питании однородным мономером, его можно использовать после циклического процесса, поскольку смесь реакционных продуктов с частичным превращением (приблизительно 60%) достаточно вязкая, чтобы избежать гидродинамической нестабильности. Для достижения около 70% превращения можно использовать один или несколько каскадных реакторов с автоматическим охлаждением (кипением) или каскадных трубчатых реакторов. В некоторых процессах однотрубные реакторы с приближенно адиабатической работой с использованием или без использования статических смесительных элементов используются в качестве послереакторов (Крейг, 1987), но окончательный предварительный нагрев перед отделением легких фракций проводится в многотрубных реакторах. Компания Dongguan использует статический смеситель DXSL для отделения легких фракций и уже провела оценку на пилотном масштабе для нескольких полимеров. Dongguan также использует статические смесительные элементы для предварительного нагрева полимера перед вторым испарением и в качестве пенообразователей использует воду или углекислый газ.

Вне полимерной области, Lammers и Beenackers (1994) предложили использовать непрерывные трубчатые реакторы с включением статических смесительных элементов для производства эфиров крахмала для пищевой и целлюлозной промышленности. Статические смесительные элементы могут использоваться в турбулентных реакторах, таких как катализаторные трубы реформирования. Утверждается, что статические вставки повышают коэффициент теплообмена, устраняют канавки в катализаторном слое, предотвращают выпукание и улучшают производительность. Предполагается, что их применение может улучшить предварительный нагреватель (Fan и др., 1978) и кипятильник (Азер и Лин, 1980). Gough и Rogers (1987) представили еще один пример, обсудив применение статического смесительного элемента в теплообменнике для обработки остатков коксования мазута. Остатки содержат термочувствительные фенольные соединения, склонные к полимеризации. Аналогичные остатки получают из дистиллятов при крекинге нефти, и в конечном итоге они могут включать углеродные твердые частицы. Эти жидкости предварительно подогреваются перед сжиганием в восстановительной атмосфере, чтобы произвести угольный черный. Gough и Rogers (1987) показали, что статические смесительные элементы могут улучшить производительность предварительного нагревателя и предотвратить образование накипи и угля в процессе обработки остатков коксования.

Применение статических смесительных элементов представляет собой потенциальное решение многих проблем, возникающих в операциях теплообмена. Во время охлаждения, благодаря лучшему радиальному перемешиванию, уменьшается образование кожи, вызванное конденсацией пограничного слоя (Baker, 1991). Нагар в системе реакции обусловлен длительным пребыванием на поверхности и высокой разницей температур между поверхностью и основным потоком. Возможно образование кристаллов, полимеризация или биологический рост, и конечная пленка обладает низкой теплопроводностью и значительно сопротивляется теплопередаче. Gough и Rogers (1987) показали, что статические смесительные элементы могут снизить образование нагара, отложений и сопротивление теплопередаче при обработке остатков коксования.

3.4Аксиальные смесители

Промышленное применение этого нового типа статических смесителей пока не было сообщено.

4.Ключевые параметры выбора статического смесителя

В этом разделе определяются и количественно характеризуются ключевые параметры правильного выбора статического смесителя. Связанные параметры зависят от конкретного применения, но один параметр является универсальным для всех применений статического смесителя. Процесс с использованием вставок для смешивания всегда приводит к более высокому давлению, чем у открытой трубы с тем же диаметром.

4.1 Универсальный параметр: Потеря давления

Оценка потери давления является первым шагом при правильном выборе статического смесителя. Для коммерческих установок поток с равной вязкостью можно оценить с помощью корреляций, но при работе с неизвестными или сложными системами реологии, реакторами и многофазными системами могут потребоваться измерения на пилотных установках. Использование доступных сегодня чувствительных и недорогих датчиков давления или контейнеров для измерения потери давления является относительно простой задачей. Технологии обработки сигналов могут даже использоваться для более глубокого понимания характеристик потока (Vial et al., 2000).

Основное уравнение для потока равномерного, изотермического и несжимаемого новтоноидального материала в круглой трубе следующее:

где N - количество смешивающих элементов, Le - длина одного элемента, f - функция числа Рейнольдса, которая определяется экспериментально или с помощью вычислительной гидродинамики (CFD). Обратите внимание, что u - скорость поверхности, а Re - число Рейнольдса, рассчитанное для пустой трубы. Уравнение (17) применимо к пустой трубе (ламинарное течение) с f=Re/16 и к турбулентному течению с f=0.079Re^(-0.25). Для заданного Re коэффициент трения в трубе с вставками будет выше, чем в пустой трубе, и переход от ламинарного к турбулентному течению произойдет при значении числа Рейнольдса, намного ниже классического значения 2100. Для статического смесителя, установленного в некруглой трубе, все еще используется функциональная форма уравнения (17), но диаметр трубы D заменяется другим характерным размером. Гидравлический диаметр применяется для турбулентного течения.

Поставщики обычно называют отношение коэффициента трения для смесителя к коэффициенту трения для пустой трубы (обозначаемое как Z) как корреляцию для потери давления:

Это уравнение облегчает модификацию статических элементов для установки их в существующие трубопроводы, так как оно напрямую дает отношение потери давления. Однако для начального проектирования оптимальный диаметр трубы с вставками обычно отличается от оптимального проектирования пустой трубы. Когда плотность или вязкость значительно изменяются как функция от осевого положения, уравнение (17) может быть применено к каждому элементу по очереди, используя значения f, p и u, применимые к каждому элементу. Эквивалентный расчет для пустой трубы осуществляется заменой P/L на dP/dz, а затем производится интегрирование вдоль трубы.

Pandit и Joshi (1998) обзорно рассмотрели корреляции потери давления для ньютоновских жидкостей в флюидизированных и фиксированных слоях, а также в статических смесителях. Для неньютоновских жидкостей, особенно вязкоупругих или многофазных потоков, корреляции, основанные на экспериментах, редко применимы для статических смесителей, но иногда можно использовать различные методы коррекции, аналогичные тем, что применяются в сложных потоках в пустых трубах, для разумной аппроксимации.

4.2Потеря давления в ламинарном потоке

Опытным путем установлено, что жидкости с вязкостью выше 0,1 Па▪с при типичных условиях промышленного производства находятся в ламинарном состоянии, а жидкости, проявляющие явные не-Ньютоновские или вязкоупругие свойства, почти всегда находятся в ламинарном состоянии. Для потока в пустой трубе поведение при Re<100 обычно является ламинарным, и вклад в уравнение движения от момента инерции можно пренебречь. При Re<2100 поток обычно ламинарен, но небольшие возмущения могут вызвать отрыв следа и другие колебательные явления. При Re>2100 поток нестабилен. Гипотеза о турбулентности для расчета потери давления является консервативной, поскольку потеря давления в турбулентном потоке выше, чем в ламинарном потоке. Когда речь идет о смешении или теплообмене, 2100

Те же самые общие концепции применимы к потоку в открытом статическом смесителе, за исключением того, что значение перехода Re вниз на приблизительно 2 раза. При Re < 50 обычно ламинарный поток, при Re > 1000 — турбулентный. Вставки вызывают систематические возмущения в потоке, поэтому в промежуточном диапазоне 50 < Re < 1000 можно ожидать сложного, но достаточно воспроизводимого потокового поведения. Более точные цифры зависят от конструкции элементов, включая их отношение длины к диаметру Le/De. Для спиральных элементов Kenics KM с Le/De равным 0,8, средняя область начинается при Re около 43, но при Le/De равном 1 это происходит при Re 55 (Jaffer and Wood, 1998). Joshi et al. (1995) подтвердили влияние отношения длины к диаметру. Они также пришли к выводу, что меньшее отношение длины к диаметру более благоприятно для теплопередачи. Тем не менее, большинство экспериментальных данных в литературе относится к типичным коммерческим конструкциям с отношением длины к диаметру 1,5 (Rauline et al., 1998). Ламинарное состояние продолжается до Re=15, а турбулентное начинается при Re=1000.

4.3Потеря давления в турбулентном потоке

Поскольку использование статических смесителей в турбулентном потоке ограничено, доступно немного корреляций для потери давления. Pahl и Muschelknautz (1982) и Cybulski и Werner (1986) представили две корреляции коэффициента трения для двух диапазонов чисел Рейнольдса (1200 < Re < 7000 и 7000 < Re < 30,000). Корреляция для турбулентного потока выглядит следующим образом:

где Ct - это постоянная. Показатель q сам по себе является функцией числа Рейнольдса, обычно уменьшается с увеличением значения Re. Cybulski и Werner (1986) предоставили результаты для смесителей Kenics, LPD и Komax. При высоких числах Рейнольдса q приближается к 0, а f становится постоянным. Аналогичное поведение наблюдается в пустых трубах fempty. Пределы значений f для смесителей Kenics, Hi-Toray, SMX и SMV составляют соответственно 3, 11, 12 и 6-12 (Pahl и Muschelknautz, 1982). Соотношение Z = f / fempty также представляет собой отношение потери давления, поэтому энергопотребление статических смесителей в сильном турбулентном потоке в несколько сотен раз превышает поток в пустой трубе.

4.4Перепад давления в потоке газа и жидкости

Метод оценки перепада давления в потоке газа и жидкости, предложенный Локхартом и Мартинелли (1949 год), является отправной точкой для большинства работ по многофазному потоку в статических смесителях. ΔP оценивается отдельно для газовой фазы и жидкостной фазы с использованием расчета однофазного перепада давления.

В пустом трубопроводе: для турбулентного-турбулентного потока C=20, для ламинарного-ламинарного потока C=5, для ламинарного-турбулентного потока C=12. Bao и др. (1994) подтвердили, что это эффективный способ прогнозирования P в потоке газа и жидкости в статическом смесителе, особенно в условиях ламинарного потока. Однако для различных типов статических смесителей необходимо корректировать значение C. Метод Lockhart и Martinelli был применен к смесителям SMX (Streiff, 1977; Shah и Kale, 1991, 1992; Chandra и Kale, 1995), а также к смесителям Kenics и Komax (Chandra и Kale, 1995). Для смесителей Kenics, Komax и SMX значения C в режиме ламинарного потока составляют соответственно 3,4, 2,85 и 2,6. Chandra и Kale (1995) предложили особый подход к ньютоновским и вязкоупругим жидкостям. Для псевдопластичных жидкостей постоянная C является функцией индекса течения n.

Поскольку для ньютоновских жидкостей n=1, =2, где представляет собой значение, полученное для того же смесителя с ньютоновской жидкостью. Таким образом, Chandra и Kale (1995) отчетливо указывают, что для смесителей Kenics, Komax и SMX значения равны соответственно 6.8, 5.7 и 5.2. Эластичность может привести к дополнительным потерям давления. Для вязкоупругих растворов Chandra и Kale (1995) обнаружили, что для смесителей Kenics, Komax и SMX значения составляют соответственно 7.1, 6.0 и 6.2.

4.5Падение давления в жидкость-жидкость потоке

Вычисление падения давления с использованием вычислительной гидродинамики может быть рассчитано путем численного решения уравнения движения. Однако из-за сложной геометрии смесительных элементов и трехмерного течения, такие вычисления стали возможными только недавно. В начале 1980-х годов была предпринята попытка моделирования течения в спиральном смесителе Kenics, поскольку он был первым коммерческим статическим смесителем, и его геометрия относительно проста. Dackson и Nauman (1987) также предложили аналитическое приближенное решение локального поля скорости. Иногда спиральные элементы аппроксимируются двумерной моделью, такой как разделяющийся канал смесительной трубы, показанный на рисунке 15. Эта геометрия представляет собой трубу, разделенную серией полукруглых каналов, образованных пересечением прямоугольных пластин. Более строгим примером является упрощение трехмерного течения до двумерного (Dackson и Nauman, 1987). Путем преобразования неортогональной системы координат и использования функции потока для устранения осевого давления получаются полностью развитые поля течения. Этот метод строгий, за исключением того, что он не может объяснить входной эффект при перемещении жидкости из одного элемента в другой. Этот метод широко используется группой Оттино (например, Khakar et al., 1987).

С развитием программ вычислительной гидродинамики, особенно при увеличении скорости компьютеров, теперь возможно получить разумные и точные оценки падения давления в потоке статической смеси. На трехмерных сетках уже опубликованы результаты для смесителей LPD (Tanguy et al., 1990), SMRX (MickailyHuber et al., 1996), Kenics (Hobbs et al., 1998) и SMX (Rauline et al., 2000). Rauline et al. (1998) продемонстрировали применимость CFD для прогнозирования падения давления в шести коммерчески доступных статических смесителях (Kenics, Inliner, LPD, Cleveland, SMX и ISG). Таблица 7 представляет сравнение значений Kp, полученных от поставщиков, опубликованных экспериментальных результатов и вычислений методом CFD. Каждый тип смесителя показывает хорошую согласованность. Метод CFD для расчета давления в однофазном, равномерно вязком, ламинарном потоке достиг разумной зрелости. Однако CFD по-прежнему ограничивается небольшим количеством применений статических смесителей в промышленности. Даже если расчеты возможны, остается проблема интеллектуальной собственности, поскольку большинство кодов CFD не раскрывают своего внутреннего устройства, что делает невозможным их независимую проверку.

5. Оценка ключевых параметров однородности смешивания

5.1 Однородность смешивания в нереагирующем потоке

Существует множество параметров, которые можно использовать для оценки степени однородности смешивания. Grosz-Rll (1980) (1980 год) перечислил более 50 из них. К сожалению, эти параметры не всегда четко определены и не всегда легко сравниваемы. Нет единого стандарта, применимого ко всем применениям, и все стандарты имеют свои достоинства и недостатки. Первоначальный анализ эффективности смешивания в статических смесителях основан на полосатой модели, показанной на рисунке 5. С теоретической точки зрения, эту модель все еще можно считать удовлетворительной, потому что она независима от коэффициента диффузии и проблем, связанных с размером образца. Предполагая, что два потока, кроме некоторых измеряемых характеристик, таких как цвет, идентичны, производительность статического смесителя должна зависеть только от начального распределения потока входящих жидкостей, геометрии смесительных элементов и количества последовательных элементов. В течение переходного потока это может зависеть от числа Рейнольдса. Если жидкости смешиваются, но имеют различные физические свойства, их относительная вязкость и объемная доля также могут влиять на пространственное распределение компонентов на выходе из смесителя, однако максимальная толщина полосы и распределение толщины полос все еще являются четко определенными концепциями. Учитывая точное отслеживание полос и времени задержки, расчеты в области реакционной инженерии могут быть добавлены к числовому решению. К сожалению, толщину полосы трудно измерить из-за численной диффузии и проблем с выборкой, и даже вычислительная гидродинамика сталкивается с определенными проблемами.

Геометрия миксера с разделительными каналами

Концентрация от точки к точке относительно легко измеряется и составляет основу большинства экспериментальных исследований равномерности смешивания. Эти измерения используются для вычисления коэффициента вариации COV и относительного стандартного отклонения RSD концентрации в потоке на выходе из статического смесителя. Есть некоторые тонкости, связанные с измерениями и их интерпретацией, которые часто игнорируются в литературе. Первая точка заключается в том, что схема отбора образцов должна взвешиваться по объемному потоку, а не по поперечному сечению, потому что среднеквадратичная концентрация смешения на выходе отличается от пространственной средней концентрации. Вторая точка касается размера образца. Слишком большой образец может заслонить изменения концентрации от точки к точке. Слишком маленький образец может привести к ошибкам выборки. В исследованиях с использованием вычислительной гидродинамики проблемы ошибок выборки могут быть очень серьезными, поскольку выборочные единицы являются относительно небольшими частицами-индикаторами. Поскольку в любом образце присутствует большое количество молекул, это не проблема для физических измерений концентрации. Мы предполагаем, что сам анализ является высокоточным. Науман и Баффхэм (1983) предоставляют учебное пособие по этим темам. См. также обсуждение выборок по потоку и площади в Nauman (1991).

Рассмотрим двухкомпонентную смесь, где концентрация компонента 1 обозначается как c1, где 0 < c1 < 1. Тогда концентрация компонента 2 будет c2 = 1 - c1. Рассмотрим поперечное сечение последнего смешивающего элемента и разделим его на J областей для отбора образцов. Размер области отбора должен обеспечивать одинаковую площадь, умноженную на локальную скорость, для каждой точки отбора. Это делается на основе объемного потока и обеспечивает относительно большие области отбора у стенки трубы.

5.2Смешивание в реакционном потоке

Когда статический смеситель используется как реактор, распределение времени пребывания становится важным параметром. С увеличением N метод поршневого потока остается объектом многих исследований (Bor, 1971 г .; Nigam и Vasudeva, 1980 г .; Nauman, 1982 г .). Было предложено несколько моделей, обычно используемых в спиралированных смесителях Kenics с использованием ньютоновских и неньютоновских жидкостей (Wen и Fan, 1975 г .; Nigam и Naumann, 1985 г .; Pustelnik, 1986 г .; Kemblowski и Pustelnik, 1988 г .). Недавно были опубликованы измерения и моделирование RTD с использованием статического смесителя SMX (Li и др., 1996 г .; Fradette и др., 1998 г .; Yoon и Choi, 1996 г .). Данные производителей также могут быть доступны, иногда они представлены в виде числа Пекле, что является ключевым параметром в модели осевого дисперсионного типа.

Dax представляет собой коэффициент осевого дисперсии. Единицы измерения Dax такие же, как и у молекулярной диффузии, но он предназначен для отражения совокупного влияния конвекции, молекулярной диффузии, а также турбулентной и вихревой диффузии. Выход продукта изотермической одноступенчатой реакции зависит только от распределения времени пребывания, и любая модель, обладающая достаточной функцией распределения времени пребывания, способна предсказать выход продукта для таких реакций. Когда N велико и распределение времени пребывания близко к потоку поршня, модель осевого распределения может справиться с этой задачей, однако модель осевого дисперсии не применима для сложных реакций в режиме перехода к ламинарному течению. Она также не подходит для реакций с немешающимся подачей сырья.

Необходимый метод для ламинарного течения - это строгое решение уравнений конвективной диффузии массы и тепла, в сочетании с уравнениями движения, связанными с зависимостью вязкости от температуры и состава. Такие вычисления возможны для немешающегося ламинарного течения в трубах с предварительно смешанной подачей сырья. См., например, Nauman (2002, глава 8). Они все еще невозможны для статических смесителей. Современные коды CFD точны в расчете давления и скорости, но известны своей неполнотой в расчетах диффузии. Трудности связаны с численной диффузией, вызванной используемыми в большинстве кодов техниками ускорения сходимости, а также с трудностями в достижении точной сходимости материального баланса с использованием современных технологий конечных элементов или конечных объемов, предпочтительных для CFD. Эта работа продолжается, но для точных расчетов реакции требуются новые поколения кодов CFD.

Использование статического смесителя для быстрых химических реакций с немешающейся подачей сырья получило значительное внимание в литературе. Читатели могут найти детали в статьях Bourne and Maire (1991), Bourne et al. (1992), Penney et al. (1995) и Baldyga et al. (1997), однако предложенные методы до сих пор не получили широкого признания. Быстрые реакции с немешающейся подачей сырья создают проблемы для кодов CFD, которые на данный момент нельзя преодолеть.

5.3Прогнозирование смешивания с помощью CFD

Из-за сложной геометрии статического смесителя аналитическое решение поля скорости невозможно. Однако численное решение может служить отправной точкой для понимания смешивающей способности. В частности, моделирование может предоставить качественные представления, которые могут быть использованы для улучшения конструкции смесителя. Например, можно создать альтернативные конфигурации для смесителя Kenics, изменяя такие геометрические параметры, как отношение длины к диаметру и угол скручивания. Затем можно проанализировать поля скорости этих альтернативных конфигураций, полученные из CFD-расчетов, для оценки их производительности. Стандартным инструментом для такого анализа является трассировка Лагранжевых частиц. Результаты могут использоваться для определения распределения времени пребывания и различных карты от входа к выходу, включая сечения Пуанкаре и историю растяжения. По крайней мере, концептуально, эти измерения могут быть использованы для понимания роли смесителя в таких приложениях, как теплообмен или передача массы капель, коагуляция и разрушение, а также химические реакции. Коэффициент вариации может быть рассчитан согласно описанному выше. Также следует помнить, что статический смеситель является устройством для потоковой среды, и эксперименты с трассировкой частиц должны быть взвешены по потоку, а не по площади, что иногда забывают другие опытные исследователи с большим опытом.

Исследования CFD по Kenics типу спиральных лопастей довольно широки. Вышеупомянуты ранние методы. Bakker и LaRoche (1993) и Bakker и др. (1994) использовали коммерческий конечно-элементный пакет FLUENT для изучения Kenics KM и HEV смесителей. Gyenis и Blickle (1992) провели стохастическое моделирование нестационарного потока частиц. Hobbs и Muzzio (1997a,b) выполнили обширную работу по численной характеристике Kenics статического смесителя с использованием коммерческого CFD, FLUENT/UNSTM. Численные методы учитывают переходы между элементами смесителя и конечную толщину элементов смесителя, которые были игнорированы в ранних исследованиях. При плаговом течении переходные эффекты потока при входе и выходе влияют на скоростное поле примерно на 25% длины элемента. Распределение тензора деформации примерно однородно на 75% центральной области элементов смешивания, но переходит к более высоким значениям в области конца перехода между элементами. Симуляции трассировки частиц использовались для расчета распределения времени пребывания, эволюции полосы и коэффициента вариации как функции количества элементов смесителя при низком числе Рейнольдса (Hobbs и Muzzio, 1998). Средняя деформация элементов материала увеличивается экспоненциально с увеличением количества элементов, что является признаком хаотического потока. Логарифмический спектр интенсивности деформации имеет гауссово распределение в центральной области спектра, и наличие второго пика на более низких интенсивностях деформации указывает на глобальное хаотическое течение. Для плаговых условий (Re < 1) поток в элементах Kenics является глобально хаотичным, и производительность смешения не зависит от Re. При Re = 100 образуются важные островки регулярного движения. Эти островки не обмениваются веществом с остальной частью потока и служат препятствием для равномерного смешения. При Re = 1000 поток снова преимущественно хаотичен, но маленькие островки все еще приводят к менее эффективному смешению по сравнению с условиями ползучего течения. Эти результаты согласуются с экспериментальными данными, представленными на рисунке 16.

Hobbs и Muzzio (1997b) исследовали производительность статического смесителя Kenics при добавлении небольшого количества инертного трассирующего агента в поток большого объема жидкости. Были смоделированы девять различных точек впрыска с соотношением потоков 1/99 и 10/90. Помимо стандартной геометрии Kenics, рассматривались две альтернативные геометрические формы. Путем анализа поперечных сечений на различных осевых позициях можно визуально оценить диффузию трассирующего агента. Коэффициент вариации также был рассчитан как функция осевой позиции. Для стандартной геометрии Kenics степень смешивания зависит от позиции впрыска только для нескольких первых элементов, но затем становится независимой от позиции впрыска. В достаточно длинном смесителе материал, впрыснутый в любой точке, диффундирует по всему потоку, но для достижения того же значения COV минимально эффективная точка впрыска требует на четыре элемента больше, чем максимально эффективная точка. При соотношении потоков 1/99 по сравнению с 10/90 COV снижается быстрее. Альтернативная геометрическая форма с изогнутыми элементами на 120°, а не стандартными 180°, также демонстрирует аналогичную зависимость от позиции впрыска и соотношения потоков, но более энергоэффективна, чем стандартная геометрия Kenics. Когда все элементы имеют одинаковое направление изгиба, в потоке присутствуют изолированные островки. При впрыске в эти изолированные области почти не происходит смешивания. Для впрыска за пределами изолированных областей трассирующий агент диффундирует в оставшуюся жидкость, но не проникает в изолированные области.

Byrde и Sawley (1999) исследовали оптимизацию числа Рейнольдса для статического смесителя Kenics в области неплавного потока. В отличие от предыдущих исследований на плавучести, мы обнаружили, что стандартный угол изгиба на 180° действительно является наилучшим. Очевидно, что производительность геометрии Kenics в транзиентном потоке отличается от производительности в глубоком ламинарном потоке (часто хуже).

Переходя к другим типам смесителей, Bertrand и др. (1994) использовали коммерческий программный продукт POLY3DTM от Rheotek для изучения распределения времени пребывания в смесителях LPD и ISG. Они установили N = 2, так что распределение варьируется незначительно по сравнению с непомешанным ламинарным потоком. Было обнаружено, что смеситель ISG более эффективно перемещает распределение времени пребывания в направлении плавающего потока по сравнению с смесителем LPD.

Lang и др. (1995) исследовали турбулентное смешивание в статическом смесителе SMV от Sulzer. Для решения уравнений непрерывности, импульса и энергии использовался метод конечного объема. Это было применено в промышленном процессе денитрификации. Моделирование показало, что смеситель SMV снижает неравномерность распределения концентрации и температуры, но значительная часть смешивания происходит в подструйке смесителя SMV. Смеситель создает вихри, продолжая смешивание вниз по течению.

Tanguy и др. (1990, 1993) провели первоначальный анализ потока в статическом смесителе SMRX. Mickaily-Huber и др. (1996) также исследовали процессы в SMRX для оптимизации дизайна. Был использован метод конечных элементов, однако коммерческие генераторы сетки не могли создать сетку для сложной геометрии SMRX, поэтому потребовалось разработать специальный генератор сетки. Численное исследование включало в себя оценку влияния угла изгиба между элементами, которая часто игнорируется в экспериментальных исследованиях, на падение давления, интенсивность смешивания и дисперсию. Было установлено, что внутренний угол изгиба в 90° обеспечивает наиболее эффективное смешивание.

Fradette и др. (1998) провели трехмерное численное моделирование потока жидкости через статический смеситель SMX с использованием метода конечных элементов. Рассчитанные давления для Ньютоновских и неньютоновских жидкостей были сравнены с экспериментальными данными Li и др. (1996). Хорошее соответствие между моделированием и экспериментом показывает, что метод конечных элементов правильно описывает сложные скоростные поля, создаваемые смесителем SMX. Также были рассчитаны уровни энергии и продольные степени деформации в различных точках смесителя. Visser и др. (1999) с использованием CFD вычислили распределение скорости и времени пребывания в трехмерной модели SMX. Расчет времени пребывания с использованием отслеживания частиц позволил получить число Пекле для каждого элемента SMX, равное 4.2, что хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Rauline и др. (2000) сравнили смешивающую способность спирального смесителя Kenics и смесителя SMX в условиях плавучести. Были использованы несколько стандартов: длина смесителя, показатель Ляпунова, средняя скорость сдвига и интенсивность разделения. При сложных условиях смешения или ограниченном пространстве установки смеситель SMX оказался более эффективным по сравнению с Kenics.

6.Ключевые параметры формирования интерфейса

По сравнению с эффективностью смешивания однородных жидкостей, предсказание процесса формирования интерфейса и усиления массопереноса при использовании статического смесителя является намного более сложным. Ключевые параметры газожидкостной системы, такие как содержание газа и средний размер пузырьков, даже в пустой трубе или традиционном газожидкостном аппарате (например, в бахроме), трудно прогнозировать из-за множества переменных, влияющих на производительность: два типа плотности, два типа вязкости, поверхностное натяжение, два типа скорости потока, противоток или течение по направлению и геометрическая форма оборудования. Поэтому параметры могут легко стать фактическими данными, но только немногие корреляции доступны для прогнозирования. В этом разделе мы рассмотрим важные параметры формирования интерфейса в статическом смесителе для многокомпонентных систем и методы, доступные для проектирования.

6.1 Газожидкостные системы

В газожидкостных системах статические смесители могут использоваться для создания пузырьков, распыления и кольцевого течения. Один из ключевых параметров, который необходимо оценить, - это коэффициент массопереноса на жидкостной стороне KLa.

Для внешнего кольцевого потока аппаратов для аэрации жидкостей, производительность спирали с 90° углом скручивания (Goto и Gaspillo, 1992) и элементов SMV (Chisti и др., 1990) сравнивались с производительностью традиционных аппаратов с кольцевым потоком. Chisti и др. (1990) также исследовали влияние реологических характеристик непрерывного фазного потока на сдвиговое редкификационное течение. Они обнаружили, что для жидкостей с высоким индексом вязкости KLa увеличивается больше. Однако этот эффект снижается при высокой скорости газа, так как известно, что высокая вязкость жидкости способствует агрегации.

6.2Жидкость-жидкость системы

В ярком контрасте с газожидкостными системами, многие исследования направлены на оценку среднего диаметра Сотта в жидкость-жидкость системах с использованием статических смесителей.

6.3 Многофазные потоки с диспергированными твердыми частицами

При проектировании с учетом диспергирования и дезагломерации твердых частиц нет универсального метода проектирования. Когда статический смеситель используется для разрушения агрегатов, например, в целлюлозно-бумажной или водообрабатывающей промышленности, конечный размер частиц является ключевым параметром. Однако, поскольку преобладающие явления зависят в основном от свойств твердой фазы, трудно предсказать размер и форму частиц в выходном потоке, и в литературе, кажется, отсутствуют надежные данные по этой теме. При использовании статического смесителя для усиления химических реакций, например, в жидкость-твердое и газ-жидкость-твердое потоковых реакторах или реакторах с пульпой, ключевыми параметрами являются коэффициент массопереноса жидкость-твердое KS и расширение кровати. В случае жидкость-твердое потока распыленной кровати это обычно связано с скоростью жидкости и выражается следующим образом:

По сравнению с традиционными флюидизированными кроватями, использование статического смесителя SMV может снизить расширение кровати на 2-5 раз, даже при низкой скорости жидкости. Для кроватей без вставок параметр m варьируется от 2.5 в турбулентном режиме до 4.5 в ламинарном режиме (Маккейб и др., 1985). Метцдорф и др. (1991) использовали элементы SMV в качестве вставок и обнаружили, что m = 4.65.

6.4 Ключевые параметры теплообмена

Теплообмен включает в себя тепловое равновесие и теплообмен. Механизм и ключевые параметры гомогенизации аналогичны механизму и ключевым параметрам смешивания растворимых жидкостей, описанным выше. Здесь мы рассматриваем только теплообмен с поверхностью. Как упоминалось ранее, статические вставки могут быть добавлены в трубы традиционных теплообменников в оболочке и трубе. Классическая процедура проектирования теплообменников не зависит от статического смесителя, за исключением оценки падения давления и внутреннего коэффициента теплообмена. Ключевым параметром является число Нуссельта:

Где k - теплопроводность процессного теплоносителя. Для облегчения сравнения в таблице 12 приведены классические корреляции для теплопередачи в пустой трубе. Обычно добавляется коэффициент коррекции вязкости (υ) 0.14, иногда также требуется коррекция на плавучесть. Cybulski и Werner (1986) предложили общее соотношение для предсказания Nu при вставке статического смесителя в трубопровод:

В этом выражении Nu0 представляет собой чистую кондуктивность, а Pr - число Прэндтля, определяемое как:

В этом выражении, cp представляет собой удельную теплоемкость процессного флюида.

В предыдущем тексте обсуждалось улучшение теплоотдачи в реакторах с помощью статических смесителей. Квантифицировать это сложно.

Visser и др. (1999) использовали CFD для прогнозирования давления, скорости и температуры в элементах SMX. Рассчитанное падение давления совпадало с экспериментальными результатами. Рассчитанный коэффициент теплообмена через охлаждаемую поверхность был ниже, чем экспериментальное значение. Это объясняется игнорированием теплопроводности в пластине. Результаты моделирования с бесконечной теплопроводностью пластины показали более высокий коэффициент теплообмена, чем наблюдаемый в экспериментах. CFD является перспективным инструментом для оптимизации усиления теплообмена с использованием статических смесителей.

6.5 Ключевые параметры продольного смешивания

Один из ключевых параметров продольного смесителя - это время первого появления инертного трассера. Устройство, протестированное Nauman (2002), дает tfirst/< 0.1. Более важным параметром является отношение затухания начальной концентрации. Степень затухания зависит от периода входного сигнала и может быть оценена на основе распределения времени пребывания, которое в свою очередь может быть измерено экспериментально или рассчитано на основе проектных параметров. Когда входной сигнал является синусоидальным с периодами 0.5, и 2, четырехзонный мешатель, описанный Nauman (2002), снизил амплитуду синусоидальных помех на 0.48, 0.74 и 0.89 раза. Эти затухания очень близки к значениям 0.45, 0.71 и 0.89, достижимым в CSTR.